Mönchhageni tűzoltóság
1924-ben alapították
Tűz - mi is ez valójában?
A tűz a lángok égés közbeni keletkezését írja le, hő és fény felszabadulásával. A tűz kialakulásának és fenntartásának előfeltétele az üzemanyag, egy oxidálószer, például a levegőből származó oxigén jelenléte, és a láng gyulladási hőmérsékletének túllépése.
Ezt mondja a Wikipédia a bevezetőben. Ha ezt már megértette, akkor nem kell továbbolvasnia - mindenki másnak az elejét kezdjük elölről, nevezetesen az atomokkal.
Egy kis atomfizika
A körülöttünk lévő minden anyag atomokból áll. Ezek a pozitív töltésű atommagból és bizonyos számú negatív elektronból állnak - egy atomnak pontosan annyi elektronja van, hogy az atommag pozitív töltése kiegyensúlyozott legyen. Egy bizonyos számú elektront tartalmazó atomot kémiai elemnek nevezünk. A hidrogén például a legkevesebb elektronszámú kémiai elem, mert csak egy van benne. A következő elem a hélium, 2 elektronnal, majd a lítium, 3 elektronnal stb. Az oxigénnek 8 elektronja van, a vasnak 26, az aranynak 79.
Az elektronok nem csak valahogy zümmögnek az atommag körül, hanem bizonyos helyeket elfoglalnak. Az elektronhéj különálló héjakra oszlik, amelyek mindegyike bizonyos számú elektront képes befogadni. Ezeket a héjakat alulról felfelé töltik, ha elemről elemre haladnak (lásd az 1. ábrát; leegyszerűsítve: el lehet képzelni, hogy ezek a héjak olyan pályák, amelyeken az elektronok a mag körül repülnek - ki tudja mit Hallottam a kvantummechanikáról, tudja, hogy ez bonyolultabb, de erre itt nincs szükségünk).
Most minden atom arra törekszik, hogy elérje a legkülső elektronhéját.
Az első (legalacsonyabb) héj például 2 elektront tartalmaz, a második 8 elektron. Vegyük példának az oxigént. Az oxigénnek 8 elektronja van, amelyek közül 2 a legalacsonyabb, 6 pedig a második héjban található. A második héj tehát az oxigén legkülső héja. De ez nincs teljesen elfoglalva, még mindig hiányzik 2 elektron, amelyeket az oxigén rettenetesen szeretne megszerezni.
A héj feltöltése helyett egy elem megpróbálhat megszabadulni az elektronoktól is - ha például a legkülső héjban csak 1 elektron van, és az atom felszabadítja ezt az elektront, akkor a következő belső héj lesz a külső héj, és ennyi megtöltött. Az oxigénnek csak olyan elemet kell keresnie, amely meg akar szabadulni az elektronoktól - például a hidrogéntől (igen, nos, ha feladja elektronját, akkor tulajdonképpen már nincs elektronhéja, de még mindig szereti).
Ha az oxigénhez még mindig két elektronra van szükség, de a hidrogén csak egyet ad le, akkor az oxigénatomnak két hidrogénatomra van szüksége partnerként. Ennek eredményeként az egyik legfontosabb és legismertebb kémiai vegyület a víz!
Az ilyen, több atomból álló szerkezetet molekulának nevezzük.
1. ábra: Az első 10 kémiai elem; Az 1. számtól kezdve (hidrogén) az elektronhéjak alulról felfelé töltődnek. Minden további elemhez elektront adnak. A hélium és a neon nemesgázai teljesen kitöltődnek elektronhéjakkal, és nem reagálnak más elemekkel.
Kémiai reakció
Tehát az oxigén két elektront vesz át két hidrogénatomtól. Világosan elképzelhető, hogy az oxigén és a hidrogén elektronhéjai egyesülnek (2. ábra), és a két elektron most a két atom körül fekvő pályákon van. Az oxigén azonban nem veszi fel teljesen az elektronokat - egy kicsit a hidrogénatomoknál maradnak. Ily módon az elektronok biztosítják az oxigén- és hidrogénatomok összekapcsolódását - kémiai kötésről beszélünk. Tehát három atom kötődik egymáshoz, kialakult egy molekula és ez - mint valószínűleg sokan már sejtették - egy vízmolekula.
2. ábra: Vízmolekula képződése egy oxigénből és két hidrogénatomból. Az oxigén és a hidrogénatomok külső elektronpályáiból két új pálya képződik, amelyek körülveszik az oxigént és egy-egy hidrogénatomot. Két kémiai kötés jött létre. A hidrogénatomok elektronjai átlagosan közelebb vannak az oxigénhez.
A víz hidrogénből és oxigénből történő képződése kémiai reakció. A fordított folyamat, a víz hidrogénné és oxigénné osztása kémiai reakció. A kémiai reakciók általában bizonyos kiindulási anyagokból származhatnak (amelyek lehetnek atomok, de molekulák is), bizonyos végtermékek (atomok vagy molekulák is).
Míg az energiát fel kell használni a víz hidrogénre és oxigénre bontására, a kiindulási anyagokból képződő víz energiát szabadít fel - amint azt bárki tudja, aki hallott a Hindenburg-i robbanásról. A hidrogén és az oxigén reakciójának azonban nem kell annyira erőszakosnak és pusztítónak lennie, hanem ellenőrzötten is működhet, amint az üzemanyagcellában történik.
Azokat a reakciókat, amelyekben az energiát fény és hő formájában adják le, exotermnek nevezzük, és nyilvánvaló, hogy ezek különösen érdekelnek minket, amikor a „tűzről” van szó.
Az égés egy bizonyos típusú kémiai reakció - nevezetesen egy exoterm reakció, amelyben egy éghető anyag atomjai reagálnak oxigénnel (általában a levegőben lévő oxigénnel), és amelyben láng fordul elő.
Azok számára, akik hajlamosak a szakkifejezésekre - az oxigénnel történő reakció oxidáció. Lángképződés nélküli oxidációk is vannak, pl. B. rozsdásodás, amelyben a vas oxidálódik, vagy a tápanyagok emésztése a szervezetben. (Bár az emésztés során nincs lángképződés, az ember a kalóriák „elégetéséről” beszél.) És más oxidálószerekkel is oxidálódnak, például oxigén helyett fluorral.
Egy egyszerű kísérlet azt mutatja, hogy az égés oxigént fogyaszt (3. ábra). Gyújtson egy tealight-ot, és tegyen rá egy poharat. Röviddel ezután a gyertya kialszik, rövid ideig csak egy szál füst látszik. Ennek oka az, hogy a láng felemésztette az üveg oxigénjét. Ha nincs több oxigén a pohárban, az égési folyamatban hiányzik az alapanyag, és a gyertya kialszik. A forró viasz egy ideig elpárolog, de nem ég tovább (ez a füstszál.) Egyébként a kísérlet során azonosítható az egyik olyan anyag is, amely akkor keletkezik, amikor a gyertya viaszgőzei oxigénnel reagálnak (vagyis égés közben). Nevezetesen víz: Az üveg párolódik.
Valódi tűz esetén az el nem égett füstgázok (amelyek itt a füstszálak) nagy veszélyt jelentenek. Ezek a füstgázok összegyűlnek és nagyon hirtelen meggyulladhatnak a kívánt hőmérséklet elérésekor vagy oxigénellátás esetén. Lásd: Backdraft & Co.
3. ábra
Egy másik egyszerű kísérletben megmutatható, hogy a rozsdásodás oxigénnel való reakció is, vagyis lassú „égés” lángok nélkül. Nedvesít egy kis acélgyapotot, és betölti egy pohárba (annyi kell legyen, hogy az az üveg tetejére tapadjon). Ezután az üveget fejjel lefelé tegye egy csészealjra (4. ábra; bal felső sarok), és öntsön vizet a csészealjra (jobb felső). Körülbelül három óra múlva már láthatja, hogy a víz folyik az üvegbe (bal alsó rész); egy éjszaka után a víz teljesen a pohárban van (jobb alsó sarokban; mennyi ideig tart, természetesen a víz mennyiségétől függ). Amikor az acélgyapot rozsdásodik, oxigént fogyaszt. Ekkor hiányzik a levegő a pohárból. Ez csökkenti a pohárban a levegő nyomását, és az így létrejövő negatív nyomás beszívja a vizet az üvegbe. A kísérlet végén az acélgyapot rozsdafoltjai is jól láthatók a villanásban.
Az első kísérletben a levegőből hiányzik az oxigén, de az égés során más gázok (szén-dioxid és vízgőz) keletkeznek, amelyek a helyükre kerülnek. A rozsdásodás során rozsda keletkezik, de szilárd anyagként lényegesen kevesebb helyet foglal el, mint egy gáz, és nem játszik szerepet az üveg nyomásában. A 3. ábrán a pohárban is van egy negatív nyomás, de azért jön létre, mert a levegő lehűl és összehúzódik, miután a gyertya kialudt.
4. ábra
Gyulladási hőmérséklet
Ha a hőmérséklet emelkedése szolgáltatja az aktiválási energiát, akkor nyilvánvaló a fordított következtetés - hogy a hőmérséklet csökkenése azt eredményezi, hogy az aktiválási energia már nem áll rendelkezésre kellőképpen, és az égés leáll vagy el sem indul. Ezért teljesen lehet vizet forralni gyufásdobozban (4. ábra).
És igen, kitaláltad - ezért tudod vízzel eloltani a tüzet, vagy megakadályozni, hogy a szomszédos épületekben átterjedjen.
Tűz - fény és melegség
Tehát most már tudjuk, mi történik égéskor. De az igazi tűz az égéskor keletkező láng. A lángok forróak és izzóak; ezért az égés során felszabaduló energia kifejezői, hő és fény formájában. Ahhoz, hogy megértsük, pontosan mi is a láng, vissza kell térnünk az atomokhoz és molekulákhoz.
Az exoterm reakcióban felszabaduló energia kezdetben azokban az atomokban és molekulákban rejlik, amelyek e reakció során keletkeztek. Ez például abban nyilvánul meg, hogy a reakció után a részecskék nem mozdulatlanul fekszenek, hanem mozognak - kinetikus energiájuk van. Nem láthatjuk az atomok mozgását, de más módon is érzékelhetjük: az atomok mozgása nem más, mint hő. Minél gyorsabban mozognak az atomok egy anyagban, annál melegebb, annál magasabb a hőmérséklete. Például, ha egy fémdarabot felmelegít, nem mondhatja el, hogy a hőmérséklete növekszik. Valamelyik pillanatban piros színnel kezd világítani. Az izzás színe a hőmérséklet növekedésével világosabbá válik, a sárgától a fehérig. Mi történik?
Parázs a kályhában
5. ábra: Ha egy elektron egy magasabb héjról egy alacsonyabbra ugrik, akkor az energiát elektromágneses sugárzás formájában adja le (jobbra fent). Ezzel szemben a beeső elektromágneses sugárzás képes ellátni az elektront a szükséges energiával, hogy egy magasabb héjba ugorhasson (balra fent). Ezt az energiát más atomokkal való ütközések során is képes fogadni (lent).
Legkésőbb most az atomok mozgása mellett figyelembe kell vennünk az elektronok atomokon belüli mozgását is. Már fentebb említettük, hogy egy atom elektronjai bizonyos héjakban ülnek. Ha egy héjban szabad egy tér, akkor egy elektron átugorhat egy másik héjból ebbe a térbe.
Ha egy magasabb héjra ugrik, akkor fel kell vennie az energiát. Például egy másik atomdal való ütközés hatására az ütközött atom elektronja magasabb héjba ugrhat; vagy egy beeső elektromágneses hullám biztosíthatja a szükséges energiát.
Amikor az elektron egy alacsonyabb héjba ugrik, elektromágneses sugárzás formájában energiát szabadít fel (5. ábra). (Ez az oda-vissza ugrás egy elektromos töltés mozgásaként is felfogható, amely aztán elektromágneses sugárzást is kibocsát.) A kibocsátott sugárzás hullámhossza a távolságtól függ. a pályák vannak; infravörös, de látható fény is kibocsátható.
6. ábra: E fatűz fénye nem tartalmaz kéket, hanem túlnyomórészt vöröset és zöldet, valamint keskeny sárga vonalat. Ez a vonal alig van 590 nm alatt; Tehát ez lehet az ismert sárga nátrium vonal. Ez az intenzív sárga vonal (valójában két nagyon közel egymáshoz közeli vonal) felelős a nátriumgőzlámpák fényének megsárgulásáért. És a nátriumsók jelenléte valahol a tűzifán vagy a tűzifán nem lehetetlen, a nátrium szerves szövetekben fordul elő.
A pályák közötti távolság nagyon jellemző az egyes kémiai elemekre. A közönséges tűz fénye az összes érintett hullámhossz keveréke. Ha a tűz (vagy bármi más) fényét úgynevezett spektroszkópon keresztül nézi (ez egy olyan eszköz, amely képes megfejteni, hogy mely hullámhosszak vesznek részt a fényben), akkor megtudhatja, hogy mely atomok és molekulák vannak benne Tűz. A 6. ábra egy fatüz spektrumát mutatja, amelyet egy nagyon egyszerű spektroszkóp rögzít.
Összegzés
Tűz keletkezik, amikor egy anyag atomjai kémiailag reagálnak a (levegő) oxigénnel. Ehhez aktivációs energiára van szükség, amelyet gyufával, lehulló gyertyákkal stb. Az égés során energia szabadul fel, amelyet hősugárzásként (a részecskék hőmozgása révén) és látható fényként (az elektronhéjban generálva) bocsátanak ki.